In una serie di nuovi articoli, i membri della collaborazione Atacama Cosmology Telescope (ACT) hanno utilizzato la luce della Radiazione Cosmica di Fondo a Microonde (Cosmic Microwave Background, CMB) per creare una nuova mappa della distribuzione della materia oscura.

La mappa copre un quarto del cielo e si estende in profondità nel cosmo. Inoltre, conferma la validità della teoria della Relatività Generale di Einstein e delle sue previsioni su come la massa altera la curvatura dello spaziotempo.

La Radiazione Cosmica di Fondo a Microonde

Negli anni ’60 Penzias e Wilson, due radioastronomi, notarono un fondo a microonde visibile in tutte le direzioni con la medesima intensità. Esso non era attribuibile a nessuna sorgente particolare, ed era visibile ad ogni ora del giorno e in qualsiasi stagione. Oggi tale radiazione è nota come Radiazione Cosmica di Fondo a Microonde ed è un tassello fondamentale della teoria del Big Bang.

Tale teoria afferma che quando l’Universo è nato, quasi 14 miliardi di anni fa, fosse permeato da un plasma di particelle (principalmente protoni, neutroni ed elettroni) e fotoni (luce) ad alta temperatura. In queste condizioni, i fotoni interagivano costantemente con gli elettroni liberi, il che significa che non potevano percorrere lunghe distanze perché immediatamente incontravano un nuovo elettrone. I fotoni, pertanto, non riuscivano ad illuminare l’Universo primordiale, il quale risultava essere opaco.

Tuttavia, l’Universo si stava espandendo e man mano che si espandeva, si raffreddava, poiché la quantità fissa di energia al suo interno era in grado di diffondersi su volumi maggiori. Dopo circa 380.000 anni, la sua temperatura raggiunse i 3000 K (circa 2700ºC) e a questo punto gli elettroni furono in grado di combinarsi con i protoni per formare atomi di idrogeno. In assenza di elettroni liberi con cui interagire, i fotoni sono stati in grado di muoversi senza ostacoli attraverso l’Universo, che divenne trasparente.

Tali fotoni costituiscono quella che oggi chiamiamo CMB e, come tutti gli altri fotoni nell’universo sono soggetti allo spostamento verso il rosso. Grazie a questo meccanismo, ci è possibile capire a quale epoca risalgono i fotoni che osserviamo e costruire una mappa che sia anche temporale. In questo modo gli astronomi sono in grado di misurare la velocità con cui l’Universo si sta espandendo.

La CMB come strumento di indagine per la materia oscura

Secondo il modello cosmologico più accreditato, chiamato Lambda Cold Dark Matter model (Lambda CDM), la materia oscura rappresenta l’85% della massa nel cosmo. Sfortunatamente, essa non interagisce con la materia ordinaria tramite forze nucleari elettrodeboli o forti, ma solo attraverso la gravità, la più debole delle forze.

Per rintracciare questa massa illusoria e intangibile, la collaborazione ACT utilizza un telescopio a onde millimetriche situato presso l’Osservatorio di Llano de Chajnantor, in Cile. Come descrivono nei loro tre nuovi articoli in pubblicazione su The Astrophysical Journal, il team si è basato sui dati del Data Release 6 (DR6) dell’ACT, che consisteva in cinque stagioni di osservazioni di temperatura e polarizzazione della CMB.

Questa luminosa “fotografia” della CMB è stata essenzialmente utilizzata per retroilluminare tutta la materia generata tra i giorni nostri e il Big Bang. Come se fotografassimo la silhouette di una persona, ma anziché vedere un volto o un corpo, quello che vediamo sono i grumi di materia oscura, quasi la luce filtrasse attraverso una tenda di tessuto ricca di nodi e protuberanze.

Una nuova mappa

L’immagine a tutto cielo più famosa della CBM è basata sui dati raccolti dalla Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) tra il 2001 e il 2003. Questa missione (che è rimasta operativa fino al 2010) si è basata sul precedente lavoro del Cosmic Background Explorer (COBE), che ha raccolto dati sulla CMB dal 1989 al 1993. Poi è arrivato il satellite Planck dell’ESA, che ha misurato la CMB dal 2009 al 2013 per mappare minuscole fluttuazioni di temperatura. Le mappe sempre più accurate che ne sono derivate hanno fornito informazioni sull’evoluzione del cosmo mostrando quali erano le sue condizioni iniziali.

Il nuovo studio tuttavia ha portato la ricerca a un ulteriore passo avanti. Gli astronomi dell’ACT hanno utilizzato le mappe per quantificare l’evoluzione della materia, l’85% della quale è materia oscura. Per visualizzare la distribuzione di questa misteriosa massa, il team ha esaminato come la sua gravità influenzi la curvatura dello spaziotempo tra la CMB e la Terra. Ciò ha mostrato efficacemente come grandi cumuli di massa (sia visibili che invisibili) abbiano alterato il percorso seguito dalla sua luce mentre viaggiava per miliardi di anni per raggiungerci.

Il team ha monitorato come l’attrazione gravitazionale di enormi strutture di materia oscura possa deformare la CMB nel suo viaggio di 14 miliardi di anni fino a noi, proprio come finestre antiche e grumose piegano e distorcono ciò che possiamo vedere attraverso di esse. La mappa risultante ha rivelato l'”impalcatura” della materia oscura, che contiene la materia visibile e circonda e collega le galassie e gli ammassi di galassie.

La conferma delle teorie cosmologiche e la “tensione di Hubble”

Blake Sherwin, co-autore dello studio e professore di cosmologia all’Università di Cambridge, ci racconta come i risultati ottenuti confermino i modelli cosmologici teorici. Innanzitutto, la distribuzione della materia oscura nel cielo è proprio quella prevista dalle nostre teorie.

Inoltre le misurazioni mostrano che sia l’irregolarità dell’Universo, sia la velocità con cui sta crescendo dopo 14 miliardi di anni di evoluzione, sono proprio quelle che ci aspetteremmo dal nostro modello standard di cosmologia basato sulla teoria di Einstein.

I risultati ottenuti potrebbero anche fornire nuove informazioni sulla cosiddetta tensione di Hubble. Essa è legata a una discrepanza nel valore della costante di Hubble, se misurata utilizzando la CMB (67 km/s/Mpc) e la luce delle stelle locali (73 km/s/Mpc). Questa costante indica la velocità alla quale il nostro Universo si sta espandendo.

Tale disparità potrebbe suggerire che il modello Lambda CDM non sia corretto. Se i nostri modelli non fossero corretti, significherebbe che noi non avremmo nessun indizio sulla modalità di espansione del nostro Universo e sulla materia in esso contenuta. Tuttavia, gli ultimi risultati del team ACT hanno valutato con precisione le dimensioni e la distribuzione dei grumi di materia oscura e hanno stabilito che sono perfettamente coerenti con il modello Lambda CDM.

La direttrice di ACT Suzanne Staggs, il cui team ha costruito i rilevatori che hanno raccolto i dati negli ultimi cinque anni, crede che la loro nuova mappa potrebbe trasformare questa “crisi” in un’opportunità:

La CMB è già famosa per le sue misurazioni senza pari dello stato primordiale dell’Universo. Ora abbiamo una seconda mappa dell’Universo nelle sue primissime fasi. Invece di una “crisi”, penso che quella che abbiamo sia una straordinaria opportunità di utilizzare insieme set diversi di dati. La nostra mappa include tutta la materia oscura, andando indietro nel tempo fino al Big Bang, e le altre mappe guardano indietro di circa 9 miliardi di anni, dandoci uno strato che è molto più vicino a noi. Possiamo confrontare i due set di dati per conoscere la crescita delle strutture nell’Universo.”

Per un’ulteriore passo in avanti in questo ambito, di grande importanza sarà il contributo della missione Euclid dell’ESA, volta all’indagine della materia e dell’energia oscura. Se tutto andrà secondo le aspettative, entro fine anno avremo i primi importanti dati scientifici da questo straordinario osservatorio spaziale.